第10章特种混凝土-混凝土工艺学

《混凝土工艺学》电子课件混凝土工艺学主讲：侯伟养护输送搅拌配合比外观弊病拌合物性能力学性能成型耐久性能原材料1《混凝土工艺学》电子课件第10章特殊混凝土技术10.1纤维增强混凝土10.2聚合物混凝土10.3大体积混凝土10.4自密实混凝土10.5清水混凝土10.6透水混凝土10.7透光混凝土10.83D打印混凝土2《混凝土工艺学》电子课件10.1纤维增强混凝土纤维增强混凝土（FiberReinforcedConcrete，简称FRC）也称纤维混凝土，是以水泥浆、砂浆或混凝土为基体材料，以金属材料、无机纤维或有机纤维为增强材料组成的一种复合材料。定义3《混凝土工艺学》电子课件纤维混凝土技术于20世纪70年代传入我国，是将纤维加入高强混凝土基材中，以阻碍混凝土内部微裂缝的发生和扩展而形成的一种高性能混凝土。近代关于纤维混凝土的理论研究开始于1901年，由美国的Portre首创。事实上，利用纤维增强混凝土并非当代的新设想，勤劳智慧的中华人民早在民间便有了将稻草或毛发混合拌入泥浆或土墙的经验，至于利用人造纤维来改善混凝土的性能，则还是近十几年才逐渐出现的思路和想法。10.1.1发展历程4《混凝土工艺学》电子课件（1）按纤维混凝土基体的不同可以分为以下几类：①纤维水泥：由纤维与水泥浆或掺有细粉活性材料或填料的水泥浆组成的复合材料，多用于建筑制品，如石棉水泥瓦、石棉水泥板、玻璃纤维水泥板等。②纤维砂浆：在砂浆中掺入纤维而形成的，多用于防裂、防渗结构，如聚丙烯纤维抹面砂浆、钢纤维防水砂浆等。③狭义的纤维混凝土：专指基体含有粗骨料的混凝土，依基体混凝土的特征，又可分为纤维轻质混凝土、纤维膨胀混凝土、纤维高强混凝土等。10.1.2性能概述10.1.2.1分类5《混凝土工艺学》电子课件（2）按纤维材质可以分为以下列几种：①金属纤维混凝土（如碳钢纤维、不锈钢纤维等）。②无机纤维混凝土，包括天然矿物纤维（如石棉纤维），人造纤维（如抗碱玻璃纤维、抗碱矿棉纤维、碳纤维、陶瓷纤维等）。③有机纤维混凝土，包括植物纤维（如木纤维、竹纤维、剑麻纤维等），合成有机纤维（如聚丙烯纤维、芳纶纤维、尼龙纤维、聚乙烯纤维、丙烯酸纤维）等。10.1.2性能概述10.1.2.1分类6《混凝土工艺学》电子课件（3）按纤维弹性模量分类，可以分为下列几种：①高弹模纤维混凝土，指弹性模量高于混凝土基体者（如钢纤维、石棉纤维、玻璃纤维、碳纤维、改性聚乙烯醇纤维、芳基聚酰亚胺纤维等）。②低弹模纤维混凝土，指弹性模量低于混凝土基体者（如聚丙烯纤维、聚乙烯纤维和绝大多数植物纤维）。10.1.2性能概述10.1.2.1分类7《混凝土工艺学》电子课件（4）按纤维长度分类，可以分为下列几种：①非连续的短纤维混凝土（如钢纤维、石棉纤维、短切玻璃纤维、短切聚丙烯醇纤维等）。②连续长纤维混凝土（如玻璃纤维网格布、连续的玻璃纤维无捻粗纱、聚丙烯原纤化薄膜等）。10.1.2性能概述10.1.2.1分类8《混凝土工艺学》电子课件（5）按纤维配制方式，纤维混凝土可以分为下列几种：①乱向短纤维增强混凝土，其中的短纤维呈乱向二维和三维分布，如玻璃纤维混凝土、石棉玻璃纤维混凝土、普通钢纤维混凝土、短碳纤维混凝土、短芳纶纤维混凝土、短聚丙烯纤维混凝土等。②连续长纤维（或网布）增强混凝土，其中的连续纤维呈一维或二维定向分布，如长玻璃纤维（或玻璃纤维网格布）混凝土、长碳纤维混凝土、长芳纶纤维混凝土、纤维增强树脂筋混凝土等。③连续长纤维和乱向短纤维复合增强混凝土。10.1.2性能概述10.1.2.1分类9《混凝土工艺学》电子课件钢纤维混凝土盖板专用钢纤端钩型钢纤维玻璃纤维玻璃纤维10《混凝土工艺学》电子课件（1）阻裂作用纤维可阻碍混凝土中微裂缝的产生与扩展（2）增强作用当混凝土中加入适量的纤维后，可使混凝土的抗拉强度、抗弯强度、抗剪强度及抗疲劳强度等有一定的提高。•（3）增韧作用•纤维混凝土在荷载作用下，即使混凝土发生开裂，纤维还可横跨裂缝承受拉应力并可使混凝土具有良好的韧性。10.1.2性能概述10.1.2.2作用机理11《混凝土工艺学》电子课件10.1纤维增强混凝土（1）钢纤维混凝土（平阴黄河公路大桥）10.1.3工程应用12《混凝土工艺学》电子课件10.1纤维增强混凝土（2）聚丙烯纤维混凝土（法门寺合十舍利塔）10.1.3工程应用13《混凝土工艺学》电子课件10.1纤维增强混凝土（3）玻璃纤维混凝土（上海世博会法国馆）10.1.3工程应用14《混凝土工艺学》电子课件10.1纤维增强混凝土（4）碳纤维混凝土（日本东京ARK大厦）10.1.3工程应用15《混凝土工艺学》电子课件雕塑花盆10.1纤维增强混凝土（5）其他预制件10.1.3工程应用市政井盖16《混凝土工艺学》电子课件10.2聚合物混凝土聚合物混凝土是由有机聚合物、无机胶凝材料、骨料有效结合而形成的一种新型混凝土材料的总称。确切地说它是混凝土与聚合物的复合材料。它克服了普通水泥混凝土抗拉强度低、脆性大、易开裂、耐化学腐蚀性差等缺点，扩大了混凝土的使用范围，是国内外大力研究和发展的新型混凝土。定义17《混凝土工艺学》电子课件我国古代工匠们常常将糯米和黏土混合用于城墙建设，许多建筑物至今仍保持很高的强度与承载力。万里长城的建筑者还将天然的聚合物与石灰混合做为胶结料，并将米汤掺进石灰砂浆中进行抹面与钩缝，黏结力相比普通石灰砂浆大有提高。真正意义上的聚合物改性水泥砂浆和混凝土的研究与应用开始于近代，当时所用的聚合物主要为天然胶乳。1923年，Cresson采用天然胶乳改性得到了聚合物混凝土材料方面的第一个专利。美国在20世纪50年代开始了聚合物混凝土的商业应用，最初是用于生产人造大理石，接着用于生产建筑墙面板。10.2.1发展历程18《混凝土工艺学》电子课件在混凝土中加入聚合物乳液能够起到“填充效应”、“密封效应”、“黏结效应”、“滚珠效应”等作用，因此，通常会在以下几个方面对混凝土材料的性能产生影响：（1）和易性：混凝土中加入聚合物后其和易性均有较大提高，这是由于聚合物粒子极小，能起到“滚珠效应”而降低拌合阻力，且聚合物乳液里面含有的表面活性物质能够起到引气的作用，这同样能够提高和易性。10.2.2性能概述10.2.2.1特点——优点19《混凝土工艺学》电子课件（2）蓄水性能：聚合物粒子在水泥混凝土的毛细孔以及微孔中起到的填充以及密封效应，能够防止混凝土中的水分蒸发出去，同时，若采用的是自乳化的聚合物乳液，由于其具有亲水基团，能够促进吸收空气中的水分，这些均有利于混凝土的水化。在干燥环境下，混凝土中的聚合物所起到的保水作用更具有重大意义。10.2.2性能概述10.2.2.1特点——优点20《混凝土工艺学》电子课件（3）黏结性能：聚合物改性混凝土材料对于基材的黏结能力远大于单一的混凝土材料，这种现象归因于聚合物本身所具有的黏结性能。•（4）力学性能：•①拉伸强度和弯曲强度：聚合物改性混凝土材料的拉伸强度和弯曲强度较纯水泥混凝土大。•②弹性模量：聚合物改性混凝土材料的弹性模量较小。•③抗压强度：水泥混凝土在加入聚合物形成复合材料后，其抗压强度一般不会增加，甚至出现降低。10.2.2性能概述10.2.2.1特点——优点21《混凝土工艺学》电子课件（5）耐久性：在聚合物混凝土中，用作胶凝材料的聚合物组分最终全部参与固化反应，因而聚合物混凝土中没有连通的毛细孔，使得聚合物混凝土抗渗透性比水泥混凝土高得多，因而具有优良的耐久性（包括耐水、耐冻融、耐腐蚀等）。10.2.2性能概述10.2.2.1特点——优点22《混凝土工艺学》电子课件•（1）使用寿命方面：对于聚合物混凝土的施工仍处于探索阶段，其使用寿命并没有充分可靠的数据保证，仍在研究探索中。•（2）成本方面：聚合物混凝土性能比普通混凝土有很大提高，但它的价格比普通混凝土高。•（3）相互混合方面：聚合物水泥基复合材料的黏度大，需要强有力的搅拌机进行拌合。•（4）施工方面：聚合物混凝土要求骨料的含水率极小，这对于现场施工来说就存在一定困难。10.2.2性能概述10.2.2.1特点——缺点23《混凝土工艺学》电子课件（1）聚合物分类•①聚合物乳液：常用的有丁苯橡胶、氯丁橡胶、天然橡胶等胶乳，聚丙烯酸酯、聚丙烯酸酯-苯乙烯共聚物、水溶性环氧树脂等高分子乳液等。•②可再分散性聚合物粉末：通常是将聚合物乳液通过喷雾干燥制得。其优点在于可以与混凝土产品预先混合甚至是实现预先混合包装，而在加水拌合时可以再次分散于水中，减少工艺的复杂性。常用的可再分散性聚合物粉末有聚丙烯酸酯、乙烯-醋酸乙烯共聚物等。•③水溶性聚合物：主要有甲基纤维素、羟乙基纤维素、聚乙烯醇、丙烯酸盐等。10.2.2性能概述10.2.2.2分类24《混凝土工艺学》电子课件（2）聚合物基混凝土分类①纯聚合物混凝土（Polymerconcrete，简称PC），也称树脂混凝土。②聚合物浸渍混凝土（Polymerimpregnatedconcrete，简称PIC）。③聚合物改性混凝土（Polymermodifiedconcrete，简称PMC），也称聚合物水泥混凝土（Polymercementconcrete，简称PCC）。10.2.2性能概述10.2.2.2分类25《混凝土工艺学》电子课件在聚合物改性胶结料内部结构的形成过程方面，对于不同的聚合物品种有着不同的解释。比较成熟的有Ohama聚合物成网模型和Konietzko双重网模型（1）Ohama聚合物成网模型（2）Konietzko双重网模型10.2.2性能概述10.2.2.3聚合物改性机理26《混凝土工艺学》电子课件（1）预制件领域10.2.3工程应用图10-8聚合物基混凝土井盖图10-9玻璃钢聚合物夹砂管道27《混凝土工艺学》电子课件10.2.3工程应用修复后的美国布鲁克林大桥重庆市聚合物混凝土透水降噪彩色路面秦山核电站三期28《混凝土工艺学》电子课件10.3大体积混凝土国内对于大体积混凝土（Massconcrete）的定义为：混凝土结构物实体最小几何尺寸不小于1m的大体量混凝土，或预计会因混凝土中胶凝材料水化引起的温度变化和收缩而导致有害裂缝产生的混凝土称为大体积混凝土。日本建筑学会标准（JASS5）规定：结构断面最小厚度在80cm以上，同时水化热引起混凝土内部的最高温度与外界气温之差预计超过25℃的混凝土，称为大体积混凝土。定义29《混凝土工艺学》电子课件1915年美国ArrowRock大坝在施工中出现了大量的施工温度裂缝，这引起了众多学者的关注，研究人员意识到水泥水化热引发的温度应力可能是混凝土内部产生温度裂缝的直接原因。美国加州大学的Wilson在1968年开发出了二维有限元程序DOT-DICE，把时间过程分析法引入了混凝土温度应力分析，可以模拟不同时间段施工的大体积混凝土结构温度场，并在DworShak大坝温度场的计算中获得了成功应用。中国水利水电科学研究院朱伯芳院士在20世纪50年代，率先研究大体积混凝土温度及温度应力问题，发表了《混凝土坝的温度计算》等一系列著作，填补了中国在该领域系统研究的空白。10.3.1发展历程30《混凝土工艺学》电子课件（1）工程条件复杂。大体积混凝土结构物或者构件体积庞大、混凝土用量大，由此导致工程条件复杂多样。（2）对裂缝的控制要求高。大体积混凝土多用于坝体、基础等，对构件的要求除了一般的强度、刚度、稳定性等之外，还有整体性、防水性、抗渗性等诸多要求。（3）抗拉强度低。大体积混凝土结构设计中通常要求不出现拉应力或出现很小的拉应力，但混凝土是脆性材料，其抗拉强度只有抗压强度的1/20～1/10左右。10.3.2性能概述10.3.2.1特点31《混凝土工艺学》电子课件（4）温度应力大。大体积混凝土在浇筑的初期，水泥在水化过程中将释放出大量的水化热，导致大体积混凝土内部中心温度很高。（5）配筋率偏低。大坝、水工结构等大体积混凝土通常不配筋，或只在表面配置少量钢筋，温度裂缝产生的巨大拉应力主要靠混凝土承担，抗拉性能差的混凝土很容易产生裂缝。（6）暴露于周围环境。大体